Exercices corrigés : sources, formes et conversions d'énergie (Sixième)

a) Une source RENOUVELABLE se reconstitue à l'échelle d'une vie humaine, et l'utiliser ne la fait pas diminuer : le vent souffle demain comme aujourd'hui. Une source NON RENOUVELABLE existe en quantité fixe sur Terre, mise en place il y a des millions d'années : chaque tonne brûlée est une tonne en moins pour toujours.

b) Renouvelables : le vent, le bois de chauffage, la marée. Non renouvelables : l'essence, qui vient du pétrole, et l'uranium. On remarquera que l'essence n'est pas une source mais un produit tiré d'une source, le pétrole.

c) À condition qu'on replante au moins autant d'arbres qu'on en coupe, et qu'on laisse à la forêt le temps de repousser. Une forêt coupée plus vite qu'elle ne repousse se comporte exactement comme un stock qui s'épuise : le mot renouvelable décrit une gestion, pas seulement une matière.

d) Presque toutes viennent du SOLEIL. Le vent naît des différences de température de l'air, qui sont dues au chauffage inégal de la Terre par le Soleil. L'eau des rivières vient de la pluie, donc de l'eau évaporée des océans par le Soleil, puis retombée en altitude. Le bois vient des arbres, qui grandissent grâce à la lumière du Soleil. Font exception la chaleur du sol et les marées, qui viennent respectivement de l'intérieur de la Terre et de l'attraction de la Lune.

e) Parce que la Terre est de taille finie et que ces gisements ne se reforment pas à notre échelle de temps. Trouver un nouveau gisement recule la date, mais ne change rien au raisonnement : on puise dans un stock qui ne se remplit plus. C'est la différence entre vider une réserve et puiser dans une rivière.

a) Douche : se chauffer, car il faut chauffer l'eau. Autobus : se déplacer. Cantine : cuire les aliments. Ordinateur : faire fonctionner un appareil. Four : cuire. Lampe : s'éclairer. Chauffage : se chauffer. Un même appareil peut d'ailleurs relever de deux catégories, comme le four qui cuit et qui chauffe la pièce en même temps.

b) Le chauffage et l'eau chaude de la douche. Chauffer est de loin ce qui demande le plus d'énergie dans un logement, bien plus que l'éclairage ou les appareils électroniques. Un ordinateur allumé toute la soirée consomme moins qu'une douche de dix minutes, ce que l'intuition dit rarement.

c) Elle vient de ses ALIMENTS. Le corps s'en sert pour bouger, pour grandir, et surtout pour se maintenir à $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$, ce qui occupe la plus grande part. Un être vivant est, de ce point de vue, un appareil qui doit être alimenté tous les jours.

d) De la moins gourmande à la plus gourmande, par personne transportée : à pied, à vélo, en autobus, en voiture. L'autobus consomme beaucoup plus qu'une voiture au total, mais il transporte trente ou quarante personnes à la fois : c'est le calcul PAR PERSONNE qui le place devant la voiture.

e) Le réfrigérateur, qui fonctionne jour et nuit; la box internet, allumée en permanence; les appareils laissés en veille, télévision, console, chargeurs restés branchés. Ces consommations invisibles représentent une part réelle de la facture d'un logement.

a) La lampe de poche est alimentée par une pile : quand la pile est usée, elle ne s'allume plus. Le réfrigérateur est branché sur une prise : en cas de panne de courant, il se réchauffe. La voiture consomme l'essence de son réservoir : à sec, elle s'arrête. Le cycliste est alimenté par ses repas : sans manger, il faiblit puis n'avance plus. Le mécanisme est le même dans les quatre cas, seule la forme de l'alimentation change.

b) Par une petite cellule photovoltaïque, la bande noire au-dessus de l'écran, qui utilise la LUMIÈRE de la pièce. C'est pour cela qu'elle s'éteint quand on la met dans l'obscurité ou qu'on couvre la bande avec le doigt.

c) Se remplace : la pile jetable. Se recharge : la batterie de téléphone. Se remplit : le réservoir d'essence et l'assiette. Cas à part : la prise électrique, qui n'a besoin de rien parce qu'elle est alimentée en continu par le réseau.

d) Une prise ne contient pas d'énergie : c'est un point d'arrivée, le bout d'un long fil. L'électricité y arrive par le réseau, depuis une centrale située parfois à des centaines de kilomètres, qui la produit à partir d'une vraie source : la chute d'eau d'un barrage, le vent, l'uranium, le gaz ou le charbon. La prise transporte, elle ne produit pas.

e) Qu'elle consomme bel et bien, simplement pas sous ses yeux. L'électricité qu'elle recharge a été produite ailleurs, à partir d'une source, avec les conséquences qui vont avec cette source. Une trottinette rechargée avec l'électricité d'un barrage et une trottinette rechargée avec celle d'une centrale au charbon n'ont pas du tout le même effet, alors qu'elles roulent exactement pareil.

a) Trottinette $2\ \mathrm{h}$, voiture $8\ \mathrm{h}$, pile de lampe $20\ \mathrm{h}$, batterie de téléphone $30\ \mathrm{h}$, lac de retenue plusieurs mois. L'ordre surprend : la plus grosse batterie de la liste, celle de la trottinette, a la plus petite autonomie.

b) De la TAILLE de la réserve et de la RAPIDITÉ avec laquelle l'objet y puise. La batterie d'une trottinette contient beaucoup plus d'énergie que celle d'un téléphone, mais un moteur qui déplace une personne en consomme des centaines de fois plus vite qu'un écran. Une grande réserve vidée vite dure moins qu'une petite réserve vidée lentement.

c) Oui, et l'énergie y est stockée par la HAUTEUR de l'eau. Une eau retenue en altitude peut tomber, et c'est cette chute qui fait tourner les turbines. Tant qu'on ne la laisse pas descendre, l'énergie reste disponible : le barrage est une réserve que l'on ouvre au moment où la ville en a besoin.

d) Parce qu'ils ne se stockent pas d'eux-mêmes : le vent souffle quand il souffle, le Soleil brille quand il brille, et rarement au moment où la demande est la plus forte. Le charbon, lui, attend sagement dans un tas et se brûle à la demande. C'est pour cette raison que les sources renouvelables vont de pair avec la question du stockage, batteries ou barrages de pompage.

e) Un ressort de jouet mécanique remonté, et l'eau d'un château d'eau ou d'un lac de barrage. On peut aussi citer un volant d'inertie lancé, ou tout simplement un objet soulevé en hauteur, comme le contrepoids d'une horloge ancienne.

a) Le modèle 1, classé A, avec $120\ \mathrm{kWh}$ par an. L'écart avec le modèle 3 vaut $410-120 = 290\ \mathrm{kWh}$ par an, c'est-à-dire plus que la consommation annuelle complète du meilleur modèle.

b) $410\div 120 \approx 3{,}4$ : le modèle 3 consomme un peu plus de trois fois plus que le modèle 1. La lettre de l'étiquette donne l'ordre, le nombre en kilowattheures donne l'ampleur : les deux informations se lisent ensemble.

c) Modèle 1 : $12\times 120 = 1440\ \mathrm{kWh}$. Modèle 3 : $12\times 410 = 4920\ \mathrm{kWh}$. La différence sur la durée de vie atteint $4920-1440 = 3480\ \mathrm{kWh}$, soit près de trente années de consommation du modèle 1.

d) Non, cela ne suffit pas. Un appareil coûte deux fois : à l'achat, puis chaque année pendant qu'il fonctionne. Pour trancher il faudrait connaître les deux prix d'achat et le prix du kilowattheure, puis comparer le total sur les douze ans. Un appareil sobre plus cher à l'achat est souvent le moins cher au bout du compte, et c'est précisément pour permettre ce calcul que l'étiquette existe.

e) Parce qu'un réfrigérateur fonctionne en permanence, jour et nuit, toute l'année : sa consommation annuelle a un sens. Un four, lui, ne sert que lorsqu'on l'allume, et personne ne sait à l'avance combien de fois par an. On indique donc la consommation d'une utilisation, à charge pour l'acheteur de la multiplier par le nombre de fois où il s'en servira.

a) L'eau est retenue en hauteur par le mur du barrage. Quand on ouvre les vannes, elle descend dans une conduite et arrive en bas avec beaucoup de vitesse. Elle fait tourner une TURBINE, sorte de grande roue à aubes. La turbine entraîne un ALTERNATEUR, qui produit l'électricité. Celle-ci part par des lignes à haute tension, traverse des postes qui abaissent la tension, et arrive enfin à la prise de la maison où la lampe est branchée.

b) De la pluie et de la fonte des neiges, qui remplissent les rivières en amont. Cette eau est elle-même issue de l'évaporation des océans par le Soleil : tant que le Soleil brille et que le cycle de l'eau continue, le lac se remplit à nouveau. Utiliser cette eau ne diminue aucun stock définitif, ce qui est exactement la définition d'une source renouvelable.

c) Ce qui change est la manière de faire tourner la turbine. Dans un barrage, c'est l'eau qui tombe. Dans une centrale au charbon comme dans une centrale nucléaire, on chauffe de l'eau pour en faire de la vapeur, et c'est la vapeur sous pression qui pousse la turbine; la seule différence entre ces deux-là est ce qui fournit la chaleur, la combustion du charbon d'un côté, la réaction dans le combustible nucléaire de l'autre. La fin de la chaîne, turbine et alternateur, est la même dans les trois cas.

d) Le PANNEAU SOLAIRE. Il transforme directement la lumière en électricité, sans aucune pièce en mouvement. L'éolienne, elle, a bien des pales qui tournent et entraînent un alternateur : c'est une turbine poussée par le vent au lieu de l'eau ou de la vapeur.

e) Parce qu'il faut une vallée étroite, une rivière au débit important et un fort dénivelé, conditions que l'on ne trouve pas près des villes. L'inconvénient est qu'il faut transporter l'électricité sur des centaines de kilomètres, ce qui exige des lignes très coûteuses et s'accompagne de pertes en cours de route.

a) La pompe à chaleur, avec $3000\ \mathrm{kWh}$. Elle consomme $12\,000\div 3000 = 4$ fois moins que la chaudière au gaz, et $9000\div 3000 = 3$ fois moins que les radiateurs électriques.

b) Les radiateurs électriques et la pompe à chaleur utilisent tous deux l'électricité du réseau. Ils consomment pourtant du simple au triple parce qu'ils ne s'en servent pas de la même façon : le radiateur transforme toute l'électricité reçue en chaleur, tandis que la pompe à chaleur s'en sert seulement pour DÉPLACER de la chaleur déjà présente dehors.

c) Déplacer de la chaleur coûte beaucoup moins que la produire. Même par temps froid, l'air extérieur contient de la chaleur, et la pompe n'a besoin d'électricité que pour la faire passer de l'extérieur vers l'intérieur, un peu comme un réfrigérateur fonctionnant à l'envers. C'est pour cela que la maison reçoit plus de chaleur que la pompe ne consomme d'électricité, ce qui n'a rien de magique : la chaleur supplémentaire vient de l'air du dehors, pas de nulle part.

d) Cela dépend entièrement de la manière dont l'électricité a été PRODUITE. Au Québec, elle vient surtout de barrages, donc d'une source renouvelable. Ailleurs, la même prise peut être alimentée par du charbon ou du gaz. La question n'est jamais « est-ce électrique ? » mais « d'où vient cette électricité ? ».

e) Le prix d'achat et d'installation, très différent d'une solution à l'autre; le prix de l'énergie utilisée, le gaz et l'électricité n'étant pas vendus au même tarif; la place disponible et les travaux nécessaires; la durée de vie et l'entretien de l'appareil; et enfin l'effet sur le climat, qui dépend de la source.

1) Faux. L'électricité n'est pas prélevée dans la nature : il faut la produire à partir d'une vraie source, eau, vent, Soleil, gaz, charbon ou uranium. C'est un moyen de TRANSPORTER l'énergie jusqu'à l'endroit où l'on en a besoin. Correction : « l'électricité est un moyen de transporter l'énergie, produit à partir d'une source ».

2) Faux. Elle consomme, simplement pas à bord. L'énergie a été produite dans une centrale, puis stockée dans sa batterie au moment de la recharge. Correction : « une voiture électrique consomme de l'énergie produite ailleurs, et son effet dépend de la source de cette électricité ».

3) Faux. Le bois n'est renouvelable qu'à la condition de repousser au moins aussi vite qu'on le coupe. Coupée trop vite, une forêt s'épuise comme un gisement. Correction : « le bois est renouvelable si l'on n'en coupe pas plus que ce qui repousse ».

4) Faux. Beaucoup d'appareils restent en VEILLE, avec un voyant, une horloge ou une antenne qui continuent de fonctionner, et un chargeur branché sans téléphone consomme encore un peu. Correction : « un appareil laissé branché consomme une petite quantité d'énergie en permanence ».

5) Faux, ou plutôt incomplet. La durée d'une réserve dépend aussi de la vitesse à laquelle on y puise, et un moteur de trottinette consomme bien plus vite qu'un téléphone. Correction : « elle contient plus d'énergie, mais elle se vide beaucoup plus vite, donc son autonomie est plus courte ».

a) $6000+1800+1200+300+200 = 9500\ \mathrm{kWh}$ pour l'année.

b) Le CHAUFFAGE, avec $6000\ \mathrm{kWh}$. Sa part vaut $6000\div 9500 \approx 0{,}63$, soit environ $63\ \%$ du total. À lui seul, il pèse plus que tous les autres postes réunis, ce qui indique déjà où porter l'effort.

c) Baisser le chauffage d'un seul degré, avec $420\ \mathrm{kWh}$. Ce n'est pas le geste auquel on pense en premier : on cite d'abord l'éclairage et les veilles, qui sont les plus visibles mais les moins rentables. La règle est simple, on gagne là où l'on consomme, et l'ordre des gestes suit l'ordre des postes.

d) Le gain total vaut $420+200+150+360+180 = 1310\ \mathrm{kWh}$. La nouvelle consommation est donc $9500-1310 = 8190\ \mathrm{kWh}$. La baisse représente $1310\div 9500 \approx 0{,}138$, soit environ $14\ \%$.

e) Il est possible, et il indique que les anciennes lampes étaient très gourmandes : les diodes consomment plusieurs fois moins que les anciennes lampes pour la même lumière, ici trois fois moins. Passer de $300$ à environ $100\ \mathrm{kWh}$ fait bien gagner $200\ \mathrm{kWh}$. Le gain ne peut jamais dépasser le poste lui-même, ce qui donne au passage un moyen de vérifier n'importe quelle promesse d'économie.

a) C'est la chaîne la plus courte : le Soleil envoie sa lumière, le panneau la reçoit et la transforme directement en électricité, l'électricité allume la lampe. Une seule étape sépare la source de l'usage, ce qui explique qu'aucune combustion n'intervienne.

b) Le Soleil ne chauffe pas la Terre partout de la même façon : l'équateur reçoit beaucoup plus que les pôles, et une plage se réchauffe plus vite que la mer voisine. L'air chaud s'élève, l'air froid vient prendre sa place, et ce déplacement d'air EST le vent. Sans Soleil, l'atmosphère serait à la même température partout et immobile.

c) Le Soleil éclaire une plante, qui s'en sert pour fabriquer sa propre matière à partir de l'eau et de l'air. Le cycliste mange cette plante, ou mange un animal qui l'a mangée. Son corps utilise cette matière pour faire travailler ses muscles, et le vélo avance. Toute la nourriture d'un être vivant remonte ainsi à la lumière du Soleil.

d) Le pétrole vient de la transformation, sous terre et sous pression, de matière vivante enfouie il y a des dizaines de millions d'années. Cette matière vivante avait grandi grâce au Soleil de l'époque : l'essence est donc de l'énergie solaire très ancienne, mise en réserve. Elle n'est pas renouvelable parce que cette mise en réserve a demandé des millions d'années, et que nous la consommons en quelques générations. Ce n'est pas la source qui manque, c'est le temps.

e) La CHALEUR DU SOL, ou géothermie, qui vient de l'intérieur de la Terre, resté brûlant depuis sa formation et entretenu par la radioactivité des roches profondes. Et les MARÉES, qui viennent de l'attraction exercée par la Lune, et un peu par le Soleil, sur les océans. On peut ajouter l'uranium, dont l'énergie vient de la matière elle-même et non de la lumière solaire.

a) Des MUSCLES du bras de la personne qui tourne. Et les muscles tirent leur énergie des ALIMENTS, eux-mêmes issus de plantes qui ont poussé grâce au Soleil.

b) Le bras fait tourner l'alternateur, l'alternateur produit l'électricité qui recharge la batterie, la batterie alimente la diode : bras, alternateur, batterie, diode.

c) La BATTERIE : c'est elle qui garde l'énergie entre le moment où l'on tourne et le moment où l'on éclaire. Sans elle, la lampe ne brillerait que pendant qu'on tourne.

d) $2$ heures font $120$ minutes. Une minute de manivelle donne $30$ minutes de lumière, et $120\div 30=4$ : il faut tourner $4$ minutes.

e) La lampe ne fabrique rien : elle TRANSFORME l'énergie apportée par le bras. Si personne ne tourne la manivelle, la batterie se vide et la lampe s'éteint. Aucun appareil ne crée d'énergie, il la reçoit toujours de quelque part.

a) $60\ \%$ de $1\,800$ : $1\,800\div 100\times 60=1\,080\ \mathrm{kWh}$.

b) $1\,800-1\,080=720\ \mathrm{kWh}$, soit les $40\ \%$ restants.

c) Le Soleil ne brille pas la nuit, il chauffe peu en hiver et se cache derrière les nuages, alors qu'on se douche tous les jours. Le ballon d'eau chaude ne stocke la chaleur que quelques jours : il faut un appoint pour les périodes sans soleil.

d) Juillet : $150\div 100\times 90=135\ \mathrm{kWh}$. Janvier : $150\div 100\times 20=30\ \mathrm{kWh}$. Plus de quatre fois moins en hiver, quand on en aurait le plus besoin.

e) Sans le Soleil, ces $1\,080\ \mathrm{kWh}$ auraient été payés à l'appoint : $1\,080\times 0{,}20=216$ dollars d'économie par an.

a) $400+2\times 250=400+500=900\ \mathrm{kJ}$.

b) Une heure de marche demande $800\ \mathrm{kJ}$ ; la barre en apporte $400$, la moitié. Elle couvre donc une demi-heure, soit $30$ minutes.

c) $100\ \mathrm{g}$, c'est $4$ fois $25\ \mathrm{g}$ : $4\times 400=1\,600\ \mathrm{kJ}$.

d) $3$ heures de marche demandent $3\times 800=2\,400\ \mathrm{kJ}$, et $2\,400\div 400=6$ barres.

e) À faire battre le cœur, à respirer, et surtout à maintenir le corps à $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$. Même immobile, un être vivant a besoin d'être alimenté en permanence.

a) $6\,000\,000\div 4\,000=1\,500$ logements.

b) $12\times 1\,500=18\,000$ logements, l'équivalent d'une petite ville.

c) $6\,000\,000\div 3\,000=2\,000\ \mathrm{kWh}$ par heure de fonctionnement.

d) $8\,760-3\,000=5\,760$ heures, soit près des deux tiers de l'année.

e) Parce que la production suit le vent, pas les besoins : un soir d'hiver sans vent, les logements ont besoin d'électricité et les éoliennes ne produisent rien. Le calcul « en moyenne » cache ces moments. Il faut donc stocker l'énergie, ou disposer d'une autre source prête à prendre le relais.

a) $365\times 0{,}1=36{,}5\ \mathrm{kWh}$ par an.

b) $4\times 36{,}5=146\ \mathrm{kWh}$ par an.

c) $146\times 0{,}20=29{,}20$ dollars par an, pour des appareils qui ne servent à rien pendant ce temps.

d) Trois appareils sont coupés : $3\times 36{,}5=109{,}5\ \mathrm{kWh}$ économisés, soit $109{,}5\times 0{,}20=21{,}90$ dollars par an.

e) PLUS : $146\ \mathrm{kWh}$ contre $120\ \mathrm{kWh}$. Des consommations minuscules, mais permanentes, finissent par dépasser celle d'un gros appareil sobre.